Открыть главное меню

Аэродинамика

Аэродинамика – от греческого ἀήρ (air-воздух) + δυναμική (dynamics-воздействие) – наука, изучающая движение воздушных масс и их воздействие на тела, находящиеся в потоке. Аэродинамика проявляется везде, где есть воздух, а он на Земле есть практически везде. Ураганы и пульверизаторы, полет самолетов и птиц, работа пневматических инструментов, добыча газа из скважин, «крученый мяч» в футболе и «японская» подача в волейболе – всё подчиняется законам аэродинамики. До недавнего времени даже существовали вычислительные устройства на аэродинамических принципах. Аэродинамика является частью науки «механика сплошной среды» и вплотную примыкает с одой стороны к механике жидкости и к газодинамике с другой. Термин аэродинамика в настоящий момент практически стал синонимичен термину газодинамика, разница в том, что в газодинамике изучаются движение газов всех видов, а не только воздуха. Формально изучение аэродинамики началось в 18 столетии, хотя основные понятия, например сила сопротивления, появились значительно раньше. Множество усилий было направлено на реализацию возможности полета аппарата тяжелее воздуха, что было впервые достигнуто в 1891 г. Отто Лилиенталем. С тех пор аэродинамические законы, используя через математический анализ, эмпирические аппроксимации, трубный эксперимент и численное моделирование создали базис для развития полетов аппаратов тяжелее воздуха и других сопутствующих технологий

ИсторияПравить

Начало (с древнейших времен до эпохи возрождения)Править

Одним из самых древних, но постоянных стремлений человечества было стремление подняться в воздух. Это желание - парить в высоте - можно увидеть ещё в творчестве древних греков – миф о Дедале и Икаре один из самых романтичных и самых беспощадных, ибо уже тогда люди стали понимать, что воздушная стихия не прощает ошибок. Но именно в эти времена в работах Архимеда и Аристотеля впервые появляются основополагающие понятия науки о взаимодействии с воздухом – непрерывность сплошной среды, сила сопротивления, градиент давления. Первыми документальными свидетельствами попыток человек подняться в воздух можно считать первые проекты летательных машин, которые относятся к середине 80-х гг. XV века. Автором этих  многочисленны проекты аппаратов с машущими крыльями - орнитоптеров является итальянский инженер, художник, архитектор, скульптор Леонардо Да Винчи. Естественно, что за образцом для подражания им были взяты птицы и их машущий принцип полета. Но уже ко второму десятилетию XVI века он понимает тупиковость развития этой идеи. Он попытался вместо машущего крыла использовать архимедов винт, создав проект вертикально взлетающего летательного аппарата, но и тут его ждала неудача. И после этого в его работах появляются приборы, изучающие свойства воздуха. Это можно считать началом аэродинамики – человечество прекратило слепо копировать природу, а начало изучать опорную среду – воздух.

Развитие (XVII-XVIII вв)Править

Из Италии в АнглиюПравить

Продолжение эти  исследования получили в XVII в. в работах Галилео Галилея. Изучая законы падения тел и движения маятника, который служил в то время инструментом для измерения времени, Галилей впервые показал, что сопротивление, испытываемое телом, движущимся в жидкой среде, возрастает с увеличением плотности среды и скорости движения. Количественную оценку величины сопротивления Галилей не произвел. Это удалось сделать Исааку Ньютону в конце XVII – начале XVIIIв. Исследуя движение шара в различных средах, Ньютон установил, что сопротивление шара R пропорционально плотности среды р, квадрату скорости движения v и площади сечения S. В своих теоретических работах Ньютон особенно подробно исследовал движение гипотетической жидкости, состоящей из дискретных частиц. Применительно к ней Ньютон создал так называемую ударную теорию сопротивления пластинки, движущейся под некоторым углом атаки. Но получившийся результат показывал столь малую силу, действующую на пластинку, что долгое время считалось, что создать летательный аппарат тяжелее воздуха невозможно.

Из Англии в РоссиюПравить

В 1725 году на краю Европы, в ещё строящемся городе Санкт-Петербурге, неожиданно ставшем столицей молодой Российской империи, в недавно основанной Петром I Петербургской академии наук, начал изучать медицину, совсем недавно получивший известность молодой голландско-швейцрский ученый Даниил Бернулли. Петр I недавно скончался, в стране царила неразбериха, многие ученые уезжали, но Даниил не только не уехал, но и пригласил своего друга – Леонарда Эйлера, который в 1727 г. приехал в Санкт-Петербург изучать среди прочего гидродинамику физиологических жидкостей. Можно сказать, что встреча этих ученых и их работа в Санкт-Петербурге определила всё дальнейшее развитие современной аэродинамики. Работа в Петербургской академии наук позволила Д. Бернулли подготовить свой главный труд: монографию «Гидродинамика» (опубликована в 1738 году), где среди прочего, там содержится основополагающий «закон Бернулли». Несмотря на то, что дифференциальных уравнений движения жидкости в книге ещё нет (их установил Эйлер в 1750-е годы) у инженеров появился инструмент для расчета сил действующих на тело в потоке жидкости или газа.

Из России ко всемПравить

Эйлер впоследствии стал основоположником аналитической гидродинамики. В работе «Принципы движения жидкостей» (1752; опубликована девятью годами позже) он, рассматривает жидкость не как набор упругих шариков, как было у И. Ньютона, а как совокупность деформируемых частиц в виде бесконечно малого (элементарного) объема сплошной среды - несжимаемой идеальной жидкости. Применяя уравнения динамики (фактически закон сохранения импульса), он впервые получил для такой жидкости уравнения движения, а также уравнение неразрывности для общего трёхмерного случая.